ЛИПИДЫ
К липидам (от греческого слова «липос» жир) относят большую и разнообразную группу органических соединений, большинство из которых построено по типу сложных эфиров с участием карбоновых кислот и спиртов, содержащих длинноцепочечные углеводородные радикалы. Для липидов характерна низкая растворимость в воде и высокая в неполярных органических растворителях (эфире, бензоле и др.). В большинстве случаев липиды имеют растительное или животное происхождение, но иногда их получают синтетическим путем.
В живых организмах липиды выполняют ряд важных функций. Так, окислительное расщепление триацилглицеринов (жиров) обеспечивает организм человека и животных энергией, необходимой для осуществления других жизненно важных процессов. Кроме того, скопления жира играют важную защитную роль: предохраняют органы и ткани от механических повреждений, служат в качестве теплосберегающего и электроизоляционного материала. Фосфолипиды и сфинголипиды входят в состав клеточных мембран и определяют их проницаемость для ионов, неэлектролитов и воды. Цереброзиды и ганглиозиды участвуют в процессах распознавания химических сигналов и доведения их до внутриклеточных эффекторов, т.е. выполняют рецепторно-посредниковую роль. Липидам присуща также регуляторно-сигнальная функция, выполняемая, главным образом, липидными спиртами (стероидами). Многочисленные исследования показали, что между нарушением метаболизма липидов и многими заболеваниями (например, сердечно-сосудистыми) имеется тесная взаимосвязь.
Таким образом, изучение структуры и свойств липидов важный этап в изучении биохимических процессов.
Общая структура липидов
По химическому составу липиды очень разнообразны. В их состав могут входить остатки спиртов, карбоновых кислот (предельных и непредельных), фосфорной кислоты, азотистых оснований, углеводов.
Несмотря на все разнообразие, в целом, липиды построены по единому принципу и состоят из трех фрагментов: гидрофобного, гидрофильного и связующего звена. Гидрофобная часть представлена углеводородными фрагментами карбоновых кислот. Гидрофильная часть может включать в себя остатки фосфорной кислоты (фосфолипиды), азотистых оснований (фосфатиды) или углеводов (цереброзиды, ганглиозиды). Роль связующего звена выполняют обычно сложноэфирные или амидные группы. Таким образом, липиды в разной степени обладают бифильностью, т.е. сродством к полярной и неполярной фазе. Характер этого сродства определяется соотношением гидрофильной и гидрофобной частей липида.
Схематично структуру липидов можно представать следующим образом:
Рис. 1. Общая структура липидов.
Структурные компоненты липидов.
Было установлено, что в состав липидов входят карбоновые кислоты предельного и непредельного ряда. Эти кислоты являются монокарбоновыми, имеют в своем составе углеводородную цепь преимущественно нормального (неразветвленного) строения с четным числом атомов углерода и могут содержать другие функциональные группы, например, OH. Исключение составляют изовалериановая кислота и некоторые циклические кислоты, которые содержатся в довольно редко встречающихся липидах. Натуральные и синтетические алифатические кислоты иногда называют «жирными», а длинноцепочечные (от С15 и выше) «высшими». В тканях человека и животных присутствует около 70 жирных кислот, но биологическое значение имеют не более 20.
Несмотря на большое разнообразие жирных кислот в состав липидов в основном входят кислоты, содержащие 16, 18, 20 и 22 атомов углерода, т.е. высшие. Наиболее распространенными являются пальмитиновая и стеариновая кислоты, которые входят в состав твердых жиров и некоторых твердых растительных масел (пальмовое масло, масло какао). В жидких растительных маслах они содержатся в значительно меньших количествах, при этом доминирующей является пальмитиновая кислота. В сливочном масле содержатся карбоновые кислоты, имеющие в углеводородном радикале циклогексановое кольцо.
Низкомолекулярные жирные кислоты встречаются реже.
Таблица 1. Важнейшие жирные кислоты, входящие в состав липидов.
Названия кислот |
Формула |
|
Тривиальное |
Систематическое |
|
Капроновая |
Гексановая |
CH3 (CH2)4 COOH |
Каприловая |
Октановая |
CH3 (CH2)6 COOH |
Каприновая |
Декановая |
CH3 (CH2)8 COOH |
Лауриновая |
Додекановая |
CH3 (CH2)10 COOH |
Миристиновая |
Тетрадекановая |
CH3 (CH2)12 COOH |
Пальмитиновая |
Гексадекановая |
CH3 (CH2)14 COOH |
Стеариновая |
Октадекановая |
CH3 (CH2)16 COOH |
Ненасыщенные кислоты встречаются в составе липидов чаще, чем насыщенные. Число атомов углерода в ненасыщенных кислотах липидов бывает различным, но преобладающими являются кислоты с 18 и 20 атомами углерода. Ближайшая к карбоксильной группе двойная связь обычно находится между 9 и 10 атомами углерода. В полиеновых кислотах двойные связи отделены друг от друга метиленовой группой. Наличие двойной связи исключает свободное вращение заместителей, что приводит к существованию у ненасыщенных кислот геометрических (цис- и транс-) изомеров. В природных липидах ненасыщенные (моно- и полиеновые) кислоты почти всегда содержатся в цис-конфигурации. Это объясняется тем, что цис-конфигурация способствует более плотной упаковке углеводородных цепей при формировании липидного слоя клеточных мембран. Кислоты, содержащие в радикале тройные связи, встречаются довольно редко.
Ненасыщенные кислоты, входящие в состав липидов, приведены в табл. 2.
Таблица 2. Основные ненасыщенные кислоты, входящие в состав липидов.
Названия кислот |
Условное обозначение* |
Формула |
|
Тривиальное |
Систематическое |
||
Моноеновые |
|||
олеиновая |
цис-октадецен-9-овая |
18 : 1 |
|
Полиеновые |
|||
линолевая |
цис, цис-октадекадиен- 9,12-овая |
18 : 2 |
|
α-линоленовая |
цис, цис, цис-окта-декатриен-9,12,15-овая |
18 : 3 |
|
арахидоновая |
цис, цис, цис, цис-эйко-затетраен-5,8,11,14-овая |
20 : 4 |
|
* Первая цифра обозначает общее число атомов углерода в цепи, вторая число двойных связей.
Из всех непредельных кислот, содержащихся в природных липидах, наиболее распространена олеиновая кислота. Во многих липидах ее содержание превышает 50%. Также широко распространены линолевая и линоленовая кислоты: в заметных количествах они содержатся в растительных маслах, а для животных организмов являются незаменимыми.
В состав липидов входят одно-, двух- и многоатомные спирты. Эти спирты могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными, но в основном они содержат неразветвленный углеводородный фрагмент и четное число атомов углерода.
Одноатомные спирты, выделенные из липидов путем их гидролиза, имеют в своем составе предельный длинноцепочечный радикал и содержат гидроксильную группу в положении 1. Такие спирты получили название «высших». Некоторые из них приведены в табл. 3.
Таблица 3. Одноатомные спирты, входящие в состав липидов.
Название |
Число атомов углерода |
Формула |
|
Тривиальное |
Систематическое |
||
цетиловый |
гексадеканол-1 |
16 |
C16H33OH |
стеариловый |
октадеканол-1 |
18 |
C18H37OH |
мелиссиловый |
триаконтанол-1 |
30 |
C30H61OH |
мирициловый |
гентриаконтанол-1 |
31 |
C31H63OH |
В состав природных липидов чаще всего входят цетиловый, стеариловый, мелиссиловый и мирициловый спирты. Наиболее богаты высшими спиртами воски.
Большинство природных липидов относятся к глицеролипидам, т.е. являются производными трехатомного спирта глицерина:
В состав природных липидов могут также входить другие линейные (этиленгликоль, пропандиолы, бутандиолы) и циклические полиолы (инозит).
Кроме отмеченных полиолов в состав липидов могут входить аминоспирты, различающиеся длиной, строением и степенью ненасыщенности углеводородной цепи. Наиболее известным из таких аминоспиртов является сфингозин ненасыщенный двухатомный спирт с длиной цепи С18 и его насыщенный аналог сфинганин.
Остатки фосфорной и алкилфосфоновой кислот входят в состав фосфолипидов и фосфонолипидов:
Примерами азотистых оснований, входящих в состав некоторых липидов, являются аминоспирты и α-аминокислоты:
2-аминоэтанол (коламин) |
|
триметил-2-гидроксиэтиламмоний (холин) |
|
2-амино-3-гидроксипропановая кислота (серин) |
|
Составными частями некоторых липидов (гликолипидов) являются моносахариды:
или олигосахариды.